История электротехники

Теоретическая электротехника (ТЭ) как самостоятельное научное направление образовалась в результате синтеза физических представлений об электрических и магнитных полях, электрических цепях, математических методах для исследования и расчета электромагнитных явлений в технических устройствах. В этом качестве ТЭ является основой развития теории, методов расчета и синтеза широкого спектра электротехнических изделий. История развития ТЭ неотделима от развития электротехники и физики, поскольку открытие новых физических явлений и законов практически одновременно приводило к появлению новых электротехнических устройств. Характерно, что практически одновременно имели место открытие в 1831 г. закона электромагнитной индукции, т.е. возникновения электродвижущей силы в результате изменения потока вектора магнитной индукции М. Фарадеем, демонстрация в 1832 г. электрического генератора постоянного тока, созданного братьями Пиксии в Париже, и изобретение электродвигателя в 1834 г. Б.С. Якоби. Однако для создания серьезной теоретической, расчетной и проектной базы, а также глубокого изучения электромагнитных процессов в таких машинах и целенаправленного развития их конструкций потребовались многие десятилетия. Для ТЭ характерен учет влияния множества факторов и в этой связи усложнение картины протекания физических процессов, поскольку только при этих условиях стало возможным решить проблему создания и повышения эффективности новых электротехнических устройств. Именно необходимость учета множества факторов потребовала разработки методов создания соответствующего математического описания, т.е. математических моделей этих устройств.

Начальный этап становления ТЭ определялся не только историей развития физических представлений об электрических и магнитных явлениях. С созданием гальванических элементов, формулированием законов Ома и Кирхгофа, а также с началом практического использования физических явлений, связанных с протеканием постоянного тока по проводникам, независимо от теории электромагнитного поля (ЭМП) появился новый раздел ТЭ, известный в настоящее время под названием «Теория электрических цепей». Вначале раздельное развитие этих двух направлений ТЭ было обусловлено тем, что расчет электрических цепей постоянного тока не требовал привлечения закона электромагнитной индукции и введения понятия токов смещения, т.е. использования всех законов ЭМП. Однако и в дальнейшем выявленные особенности описания процессов в электрических цепях и их математических моделей, даже при необходимости использовать уравнения ЭМП, позволили создавать специфические методы расчета и сохранять теорию электрических цепей в качестве самостоятельного раздела. В этом отношении показательна возможность вывода законов Кирхгофа без использования уравнений Максвелла, исходя только из топологических особенностей электрических цепей. По этой причине в ТЭ с самого начала ее становления относительно самостоятельно развивались исследования, связанные с явлениями, вызванными протеканием электрического тока по проводникам, образующим цепи (теория электрических цепей) и с эффектами взаимодействия электромагнитного поля с веществом (теория ЭМП). Таким образом, это разделение было вызвано не только историческими причинами и различиями в методах анализа и синтеза электрических цепей и электромагнитных полей, но и используемым при этом математическим аппаратом.

Поражающая воображение быстрота появления практических устройств на основе использования электромагнитных явлений способствовала ускоренному развитию производительных сил с конца XIX в. и существенным образом повлияла на становление ТЭ в качестве самостоятельной науки. Со времени открытия гальванических источников тока, электрической дуги и появления возможности практического использования этих открытий для освещения и электротермии прикладные аспекты использования ЭМП приобретают особое значение для развития производства. Именно это обстоятельство в первую очередь стимулировало развитие ТЭ в качестве самостоятельной отрасли науки.

4.2. СТАНОВЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ТЭ

Д.К. Максвелл в течение 1855–1873 гг., обобщив результаты экспериментальных исследований, известных в виде законов Ш. Кулона, А. Ампера, законов и идей М. Фарадея и Э.Х. Ленца сформировал на их основе систему уравнений ЭМП, описывающую поведение электромагнитного поля в общем случае. Впоследствии Г. Герц в 1884 и 1890 гг., О. Хевисайд в 1885 г., А. Эйнштейн в 1905 г., Г. Лоренц в 1909 г. и др. сформулировали варианты этой системы уравнений. С точки зрения теории математического моделирования система уравнений Максвелла является математической моделью электромагнитного поля для самого общего случая. Приспособление этой модели к конкретным свойствам исследуемого устройства и стало одной из основных задач ТЭ при создании общих методов разработки конкретных математических моделей, т.е. математического описания электромагнитных процессов в конкретном устройстве.